Газ против электричества

Кризис на энергетическом рынке увел тему декарбонизации в самый низ информационной повестки. На фоне сообщений о том, что западные промышленно развитые страны запускают ранее выведенные из системы угольные электростанции, а граждане запасаются дровами, дальнейшее «продавливание» темы углеродной нейтральности приведет как минимум к массовому когнитивному диссонансу. Можно констатировать, что политическое давление в этой части на реальный сектор и общество серьезно ослабло. Тем не менее пока ни в России, ни в мире никто не спешит объявлять о сворачивании проектов в «зеленом» секторе. В том числе это касается и планов развития производства автомобилей на электрической тяге (см. «Россию заряжают на электродвижение», «Эксперт» № 36 за 2022 год).

Проектов даже стало больше, чем год назад. И это несмотря на то, что упокоилась изначально порочная Zetta (см. «Встали на колесо», «Эксперт» № 37 за 2019 год) и не задалась тема у «Сберавтотеха». Зато занялись пассажирскими микрокарами еще две команды, прибавились проекты по развозным микрогрузовикам, состав же игроков по «полноценным» легковым автомобилям плюс-минус тот же.

При этом переход с бензина на природный газ, ставший экономически разумной и экологичной альтернативой «батарейкам» по внешнеэкономическим причинам, и разработчики, и, что хуже, инвесторы, игнорируют. Правительство вроде как поощряет «газификацию», но… на грани издевательства.

Так, 17 августа Михаил Мишустин подписал постановление № 1427, согласно которому государство будет компенсировать юридическим и физическим лицам 48% расходов на перевод автомобилей с бензина на метан. Кроме того, в ближайшие пять лет в России должно быть построено 1300 газовых заправок. Цель — увеличить потребление метана автотранспортом с 1,37 до 2,7 млрд кубометров к 2024 году.

Звучит громко, если не вспомнить подобную программу от 2013 год, согласно которой к 2020-му в стране должно было работать 2000 метановых заправок. Реально же на сегодня работает, по данным Национальной газомоторной ассоциации (НГМА), только 677. В Италии, к примеру, таких заправок без всяких правительственных программ построено более 1500, в Иране — около 2500. Стоит также вспомнить, что до начала 2021 года величина компенсации при переводе машин на газ достигала 90% (вместе с 30-процентной субсидией по программе «Газпрома»).

Ну и напомним, что электрозаправочных станций, согласно планам правительства, уже к 2024 году должно быть построено не менее 9400. Разница существенная.

Не меньшей половинчатостью страдает и «метановая» часть проекта стратегии развития автопрома до 2035 года, которая находится на стадии согласования. Согласно этому документу, в 2025‒2030 годах доля газомоторных легковых машин на нашем рынке не превысит 2%, легких грузовиков — 5%, «больших» грузовиков — 10%.

Что же касается автомобилей тех же типов с электроприводом (включая гибридные и водородные), то доля легковых планируется на уровне от 5 до 12%. ЛКА — от 4 до 11%, грузовых — 5%.

Доля автобусов на газе сейчас составляет 40% и, по прогнозу правительства, сохранится неизменной до 2030 года. Однако в 2031–2035-м она сократится до 35% за счет того, что в это же время с 10 до 20% вырастет доля автобусов на электротяге.

Впрочем, количество автобусов, работающих на газовом топливе, в общем парке невелико: продажи на уровне 10 тыс. в год на фоне рынка объемом 1,5–2 млн штук. Причем часть из них в качестве топлива использует не метан, а пропан-бутан (сжиженный нефтяной газ). Последний лучше подходит для двухтопливного использования (газ или бензин), но и более востребован в химической промышленности, и не столь экологичен. А потому не имеет таких перспектив в качестве экологичной альтернативы бензину и дизтопливу и доступной — электроприводу.

А метан имеет. И как энергоноситель, коего внезапно стало в избытке в РФ (одна только Германия покупала у нас 50‒60 млрд кубометров в год), и как, пожалуй, лучший из доступных вариантов создания действительно экологичного и энергоэффективного транспорта. По сравнению в том числе с электроприводом «на батарейках».

Крупнейшим производителем битопливных (бензин + метан) автомобилей был АвтоВАЗ, выпускавший до трех тысяч «вест» и «ларгусов» с индексом CNG в год

О подогреве

Не верите? Тогда пожалуйте к цифрам, досконально изученным командой департамента ТРИЗ (теория решения изобретательских задач) группы ГАЗ. Нижегородцы во главе с Алексеем Фоменко и Николаем Сауниным исследовали причины технологических изменений, происходящих в автопроме, в том числе с точки зрения прогресса в сфере энергоэффективности с целью действительного изменения углеродного следа.

«Нам было очевидно, что при текущих технологиях и структуре энергогенерации электротранспорт в плане выбросов СО2 менее экологичен, чем бензиновый или, тем более, газовый автомобиль, — рассказывает Николай Саунин. — Чтобы понять, на что необходимо сделать ставку в долгосрочной перспективе, важно было отделить хайп от объективных факторов, определяющих будущие рынки. Такими факторами, например, являются повышение энергоэффективности и экологичности всей системы: от добычи энергии из некоего ресурса до ее использования конечным потребителем».

Результатом примерно полуторагодового труда стала «Карта топливных технологий», позволяющая ответить на вопросы о значении КПД или выбросов СО2 на любом из этапов цепочки «добыча энергоносителя — полезная работа» или во всей цепочке сразу.

Результат удивляет даже тех, кто догадывался, что с электромобилями «что-то не так».

В данном случае мы рассматриваем вариант, когда изначальным источником энергии и для электромобиля, и для газомобиля служит природный газ. Только в первом случае природный газ сжигается на ТЭС с целью получения электричества, которым затем и будет заряжен электромобиль. Во втором — газ будет сожжен непосредственно в двигателе внутреннего сгорания автомобиля.

Вопреки устоявшемуся мнению о высоком КПД электропривода он не выдерживает конкуренции, если рассмотреть цепочку целиком, от скважины до колеса. Нет, сам электромотор хорош в этом плане, его КПД достигает 95%. Но высокие показатели у электромотора лишь в узком диапазоне оборотов и нагрузок, индивидуальных для каждого движка. А вот потери в контроллере, при заряде-разряде батарей, в самом зарядном устройстве постоянны и ощутимы: 18, 15 и 5% соответственно. Плюс потери в зарядной станции: 5%. Да, КПД энергоустановки на электростанции выше, чем у ДВС, работающего на газе: 46% против 30%. Но тут нужно учесть потери энергии в магистральных линиях электропередачи и распределительных сетях, составляющие 19%.

У газомоторного же транспорта, по данным «тризовцев», основные затраты — компрессорные станции для перекачки газа по трубе (в качестве консервативной оценки взято 7% — данные о расходе «Газпрома» на собственные нужды, причем не только на перекачку, но и на содержание сопутствующей инфраструктуры, включая обогрев вахтовых поселков и т. п.) Но самих звеньев меньше, оттого и суммарные потери — то есть в прямом смысле на обогрев атмосферы — в итоге получаются ниже.

Итого: КПД 19,41% у автомобиля на газовом топливе против 15,73% у электромобиля, который в конечном счете получил электроэнергию, выработанную на современной тепловой электростанции, работающей на метане.

Для сравнения: у бензинового автомобиля КПД «от скважины до колеса» 10,65, у дизельного и вовсе 5,7%. Настолько велики потери на нефтеперерабатывающих заводах и при транспортировке топлива. И это при том, что современные бензиновые и дизельные двигатели более эффективны, чем нынешние газовые, о чем ниже. Иными словами, электромобиль, «запитанный» от ТЭС, работающей на метане, потребляет на 23% больше энергии, чем автомобиль на газовом топливе, и на те же 23% греет атмосферу в прямом смысле.

В качестве основного аргумента мы выделили топливную эффективность как наиболее верный показатель реального углеродного следа, оставляемого условным транспортным средством в пересчете на столь же условную перевозку единицы полезной нагрузки. А еще потому, что в данном случае он наиболее релевантен как раз для двигателей на природном газе, не имеющих ни дожигателей, ни нейтрализаторов, ни фильтров. Да, в общем, и не нуждающихся в них: сжигание метана не сопровождается выбросами смол, сажи и соединений серы. А выброс углекислого газа у автомобиля на метане почти в три раза меньше, чем у бензинового.

Но топливная эффективность — аргумент, что называется, лобовой. Есть и другие. В частности, повышенная токсичность производства батарей.

Есть и контраргументы у сторонников электричества. Например, что производить электроэнергию можно не только сжиганием газа. Но при строительстве гидроэлектростанций и АЭС используется огромное количество цемента, производство которого сопряжено со сжиганием того же природного газа, например. Существенные ресурсы тратятся и при создании ветровых и солнечных электростанций, воздействие которых на фауну и флору территорий, где они расположены, изучено не до конца.

А главное, порядка 65% электроэнергии в России пока производится все же на ТЭС, четверть которых оснащена не упомянутыми газовыми установками, а старыми системами, использующими уголь и мазут. То есть если в расчеты заложить не 46% КПД современной газовой электростанции, а 33% среднего КПД по всем ТЭС, то разница между «баллонами» и «батарейками» получится не 23, а 72%!

Технологическая цепочка передачи энергии «от скважины к колесу»

Карта топливных технологий, департамент ТРИЗ Группы ГАЗ Технологическая цепочка передачи энергии «от скважины к колесу»

Дунешь — и чудо произойдет

Что же нужно для перехода как минимум части автомобилей с бензина на метан? Первое и главное — сеть заправочных станций, АГНКС (автомобильная газонаполнительная компрессорная станция). Пока не будет должной сети, использование метана ограничится автобусными парками, имеющими возможность держать такие станции у себя. В крайнем случае — очень большими таксопарками и службами доставки.

Второе — создание специализированных модификаций легковых машин, как минимум для такси и шеринга, а также фургонов.

Метан имеет октановое число 105. А значит, если его использовать в моторе, сделанном под бензин, эффективность его использования будет меньше, выдаваемая мощность будет на 10‒25% ниже, чем могла бы быть при доработке мотора под газ. Отсюда, собственно, и КПД 30%, заложенный в расчетах, вместо 38–40% нормальных для хорошей «бензинки» и достижимых на газовом моторе специальной разработки. Специальная разработка подразумевает или иную форму камеры сгорания со степенью сжатия 14-17, или, что лучше, турбонаддув на обычный «атмосферный» мотор, или, на изначально «наддутом» моторе, турбина с большей в 1,4‒1,5 раза производительностью. Причем все это потребует минимальных переделок: ни внедрения интеркулера в первом случае, ни увеличения его во втором не потребуется. А потребуется изменение зазоров в «горячей» части двигателя: метан не смывает масляную пленку с цилиндров, но и не создает ее в паре «клапан‒седло», а кроме того, более высокая температура горения приводит к обгоранию выпускных клапанов. Проблемы известные и решенные многократно при создании автобусных газомоторов на основе дизелей (причем там эти проблемы намного серьезнее: солярка имеет очень хорошие смазывающие свойства), но они требуют изменения конструкции изначально бензинового мотора.

И конечно же, необходимо создание отечественной топливной аппаратуры взамен итальянской. Что с точки зрения мыслительного и технологического процессов не проблема — но проблема для экономики процесса в целом. Такая аппаратура будет недорогой, если ее делать хотя бы десятками тысяч в год. А это возможно, как и технологические изменения в самом двигателе, при условии достаточного спроса. А он упирается — вот именно! — в малое количество заправок.

Замкнутый круг. Который не преодолеть без деятельного участия регулирующих органов и инвестиций в инфраструктуру. «Газпром», напомним, тоже принадлежит государству более чем наполовину, вместе со своей «дочкой», «Газпром газомоторное топливо», занятой продвижением газомоторного топлива и строительством АГНКС, но, как видим, не слишком интенсивно. Притом что компания, надо отдать ей должное, и расширяет сеть, и компенсирует автовладельцам до 30% затрат при переходе на газ вдобавок к федеральным субсидиям.

Впрочем, для «Газпрома» даже самая обширная газификация автотранспорта, в общем, малозначительное мероприятие на общем фоне потерь сбыта природного газа и точно не панацея. А вот для автопрома — новый шанс. Причем импортозащищенный: китайцы (да и индийцы) заняты батарейками и им не до вложений в газовые ДВС. Иран и сам с радостью купит такие движки, поскольку с моторным производством у них вообще беда, да и другая «дружественная» страна, Узбекистан, скорее сама купит такие машины, чем решится на их производство.

Но пока что руководство страны, в первую очередь Минпромторг, с энтузиазмом продвигает электропрограмму. И игнорирует шанс страны обзавестись действительно экологичным транспортом. Причем с намного меньшими интеллектуальными затратами и капвложениями, чем при создании электромобилей.

Александр Астапов
обозреватель «Эксперта», инженер
19 сентября 2022